Ansoft EM专题讨论（三）——异步启动永磁同步电机设计最近有感于论坛Ansoft版区学习的氛围越来越好了，这与各位版主的努力都是分不开的。看到前面两个专题中，我们的超版和技术精英们都做了很多工作，本着向大家学习的原则，我也来凑个热闹 本人在读研期间曾经涉猎过这种电机的设计与仿真，下面就把我很久以前做的一个练习分享给大家。做的不一定对，希望大家多多批评指正！这也是和大家学习的过程，望各位不吝赐教 其实，这种电机在实际设计过程中需要注意的问题还是很多的。很遗憾在校期间没能彻底解决这个领域的一些问题。这里也希望大家广泛针对该类电机的设计进行讨论和交流，向大家学习了! 下面先给出电机结构示意图 电机为典型的4极36槽结构，绕组为单层交叉，Y接形式，内置径向W型永磁体，采用冲片类型为DW315-50。具体的其他的电机参数将在RMxprt设计中给出区别于前面两位版主的纯V11仿真，该算例采用了Ansoft RMxprt V5.0版本与Maxwell V11.1版进行了简易的联合2D仿真。对新人而言，V5.0的界面更加人性化和易于上手，推荐新同学使用。 运用Ansoft RMxprt V5.0进行基本的电磁设计，输入相应电机参数反复调试运行。下面给出本例的参数设置
基本参数 定子内外径和槽形尺寸
转子内外径和磁钢设计
转子槽形和端环设计 以上需要补充说明的是Ansoft RMxprt V5.0的材料设置问题和绕组编辑问题 就材料设置而言，大家可以利用软件自带的.h-b文件自行添加所需要的硅钢片材料，主要是需要查找一些手册来添加磁化曲线和损耗曲线，用记事本的格式进行编辑添加，放在指定的文件夹中，即可在设计中引用，图例DW315-50的.h-b文件，要对应操作窗口的各项参数进行添加，方可正确使用
一、 概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料剩磁（T）Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫顽力Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆温度系数αB(%C) 居里温度Tc8(C) 中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 较高水平的钐钴1.00 746 766 210 -0.03 850
高压永磁同步电动机应用与研究 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 标签：高效永磁同步电动机现场方案试验研究结果分析 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发（2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案）提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1.高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化（充磁）之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
同步电动机的起动 1.同步电机的基本原理 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。 图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场) 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120 分布的线圈代表三相对称交流绕组。 图1.1同步电机结构模型 1.1工作原理 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主
磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E0 =4.44fNψ Φ 感应电势频率:感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p ，即 f=pn/60 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 1.2同步转速 同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有： n=60f/p=3000/p 要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 1.3运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：
(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。
同步电动机启动过程中环火故障及解决办法 发表时间：2018-10-16T15:51:43.973Z 来源：《基层建设》2018年第27期作者：赵勇 [导读] 摘要：通过生产实践中同步电动机起机过程中产生环火的故障，分析原因及其解决办法。 新疆钢铁雅满苏矿业有限责任公司新疆哈密 839126 摘要：通过生产实践中同步电动机起机过程中产生环火的故障，分析原因及其解决办法。 关键词：同步电动机励磁绕组环火 1 引言 选矿厂普遍采用同步电动机作为球磨机的驱动设备，具有功率因数高、转速恒定的优点。同步电动机运转的好坏直接影响球磨机的作业率。 2 同步电动机的启动工作原理 同步电动机主要用于拖动恒定转速的大型机械设备，如球磨机、空气压缩机、离心水泵等。 由于同步电动机的启动转矩为零，不能自行启动，所以采用异步启动方法帮助启动，整个启动过程分为异步启动和牵入同步两个阶段。在启动过程中转子绕组是不能投入励磁电流的，否则将增加启动的困难，即发生堵转。同时励磁绕组又不能开路，否则启动时励磁绕组上感应出较高的危险电压，使绕组绝缘击穿受损伤。但是，如果将励磁绕组短路，则会产生很大的启动电流，使励磁装置受到损坏。因此，在启动同步电动机时励磁绕组通常是通过灭磁电阻短接的，灭磁电阻约为励磁绕组电阻值的十倍左右。启动过程结束前，也就是转子转速接近同步时，在亚同步时切除灭磁电阻，并且投入励磁电流。 3 问题的产生及原因分析 选矿厂共有4台同步电动机，沈阳股份电机厂，1997年制造，使用时间已经达到21年。最近其中一台同步电动机起机过程中，产生环火现象，进入同步转速后环火消失，电机运行正常。 最初故障是偶尔出现一次，后期每次起机过程都会发生，持续时间2-3秒，停机后，拆开防护网，仔细查找故障点，发现转子励磁绕组线圈连接处开焊，局部过热绝缘烧出几个小洞。 初步分析原因师同步电动机在带励失步时，励磁系统虽仍有直流励磁，但励磁电流及定子电流强烈脉动，电机亦遭受强烈脉振，有时甚至产生电气共振和机械共振。带励失步大多引起电机产生疲劳效应，造成电机内部暗伤，并逐步积累和发展。带励失步所造成电机损伤，转子励磁绕组接头处产生裂纹，出现过热、开焊、绝缘烤焦，同步电动机起机过程中转子励磁绕组产生感应电流，在接头处打火，转子旋转形成环火。 4 解决方案 4.1 临时解决方案 转子励磁绕组接头处已经开焊，部位在两个线圈中间，比较靠里，无法在现场采用铜焊进行修复，要想彻底修复只能更换后离线修理，但更换电机需要2天时间，影响球磨机作业率。分析电气连接的方法，常用的连接方法有绞合连接、紧压连接、焊接等，我们采用压接的方式固定开焊部位，采用5mm的胶木板，制作两块平板，两块楔子板，把两块平板浸泡绝缘漆后塞入接头的两边，再用楔子板打进平板和接头之间，压紧线圈接头，经过这样处理后转子环火现象消失，运行正常。 4.2 长期解决方案 需要更换同步电动机，送到修理厂家，选用银铜焊条，采用气焊焊接，电机转子抽芯后，线圈经过预先处理后，将接头之间的缝隙全部焊满，再重新绝缘处理。 对同步电动机励磁部分进行改造，应用先进的LZK-3型同步电动机励磁装置，增强了系统的稳定性，具有如下主要功能。（1）通过合理选配灭磁电阻RF，分级整定灭磁可控硅KQ的开通电压，使电机在异步驱动状态时，KQ在较低电压下便开通，故具有良好的异步驱动消除了原励磁屏在电机异步暂态过程中所存在的脉振，满足带载起动及再整步的要求；而当电机在同步状态时，KQ在过电压情况下才开通，既起到保护器件的作用，又使电机在正常同步运行时，KQ不误导通。 （2）机组异步启动时，励磁系统能在转子滑差为0.05-0.03时“准角”投励，并有后备计时投励环节，具有强励磁整步的功能。电机可在全压或降压条件下可靠拉入同步.启动过程平滑、快速、可靠。 （3）具有完善可靠的带励失步、失励失步保护系统，保证电机在发生带励失步和失励失步时，快速动作，保护电机，使电机免受损伤. （4）具有快速可靠的灭磁系统，可使电机在遇到故障，被迫跳闸停机时，明显减少其损伤程度。（5）在电机失步后，可根据现场工况选择跳闸停机或不停机带载自动再整步。当采用不停机带载自动再整步方式时，整个过程平滑、快速（仅需数秒钟），不损伤电机，不必减负载，并设有后备保护环节，以保证电机的安全运行。 5、结论 同步电动机故障处理完成后，降低球磨机停机时间，提高设备作业率，保证了生产的稳定，确保了质量指标的稳定，为全年生产任务的完成打下了坚实的基础，同时也降低了电耗，降低了成本。 参考文献： 《电机学》（中国电力出版社） 《同步发电机励磁系统原理与运行维护》（中国水利水电出版社） 作者简介：赵勇（1976-），男，电气工程师，长期从事电气设备及自动化控制技术的维护工作
大型同步电动机的静止变频起动装置 摘要：大型同步电动机能够输出稳定的动力，不会随着载荷的增加而减少，因此，在各行业中的大型机械中被广泛使用，工作可靠稳定，能够提供足够的动力驱动各种设备的稳定运转。由于提供的电流和功率远高于启动所需，会造成启动困难，产生较大的振动，对电动机的零部件造成不利的影响。因此，实现大型同步电动机的静止变频具有重要的意义，能够将所需频率调成与启动的额定频率相同，是电动机稳定的启动，降低产生的机械冲击，对设备的工作效率、使用年限都有利。本研究对静止变频装置进行分析，了解静止变频的工作原理，促进静止变频在同步电动机中的良好应用。 关键词：大型同步电动机；静止变频；分析 前言 同步电动机因为其与同步转速具有一定的比例关系，而且一旦确定比例因数就不会改变，始终保持相应的转动频率，所以称为同步电动机。根据同步电动机的这一特性，在我国的经济发展中起到了重要的作用，用于工、农业等大型用电机械的动力来源，能够输出固定的动力，而不随着载荷变化，与异步电动机相比，能够输出更稳定的动力来驱动设备，满足设备的工作需求，得到了广泛的应用。但是其频率是固定值，不会发生改变，也有一定的限制性，同步电动机的启动较为困难，能够提供的转速与所需频率不符，需要多次的启动才能实现，在大型同步电动机上体现的更加明显，这不仅会加大大型同步电动机零部件的磨损，减少同步电动机的使用寿命，还会浪费不必要的资源。实现同步电动机的静止变频能够有效的弥补同步电动机具有的局限性，是电动机能够更加稳定的启动，应用在大型机械中更加安全可靠。 1 大型同步电动机静止变频简介 1.1 大型同步电动机起动困难 大型同步电动机对电压的波动不敏感，自身受到的影响很低，而且，具有可调的功劳因数，适用范围广，在水泵、大型风机、抽水设备等大型的机械中都能蚪行使用，不论设备的负载多大，同步电动机始终能够提供固定的动力，具有可靠、稳定、动力大的特点，受到了广泛的应用。但是，大型同步电动机的起动十分困难，提供的电流和功率是所需的6-8倍，远远大于额定电流和额定功率，造成起动困难、起动滞后等现象。提供的起动电流过大，会使得电动机工作状况不稳定，往往需要多次起动才能成功，在这个过程中，对设备的磨损和损耗加大，造成设备的振动，可能会造成内部结构的变形、移动等，降低设备的使用寿命，也会增加设备发生事故的可能性。要实现大型同步电动机在技术上的进步，使得同步电动机的应用范围加大，对我国的经济发展和社会建设发挥更大的作用，解决大型同步电动机的起动困难是首要应该解决的问题。 1.2 静止变频在国内外的发展现状 同步电动机在国内外都得到了广泛的应用，起动困难这一缺点也受到了关注，都积极寻求可靠的解决方法。在不同的设备上使用的同步电动机特性也有所不同，要解决起动困难问题的静止变频装置也会发生变化。最初实现同步电动机的静止变频是西方发达国家在燃气轮
高压永磁同步电动机应用与研究 摘要：目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 关键词：高效永磁同步电动机试验研究结果分析现场方案 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发(2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案)提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1、高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化(充磁)之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。 我国专家学者自主开发的高效高压永磁同步电动机，采用实心转子磁极铁芯和启动笼复合结构，消弱了齿谐波，减少了转子表面损耗，提高了电机效率。同时，非均匀气隙和优化通风散热，有效的控制了电机温升。该种电机同异步电机相比各项指标显著提供，额定负载效率大于96%，功率因数大于0.98，综合节电率在8%-15%。 2、高压永磁同步电动机的优点
同步电机异步电机的原理及启动 同步电机 同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p，ns称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。 同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。 工作原理 ◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 ◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 ◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 ◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 ◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 运行方式 ◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 同步电动机
一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改
三相自起动永磁同步电动机定、转子的绕组分布示意图，定子上有A 、B 、C 三相绕组，转子上有永磁体m 和笼型起动绕组。定子A 相绕组轴线与转子d 轴方向间的夹角为θ，转子以电角速度ω逆时针旋转，转子q 轴沿逆时针方向超前d 轴90o电角度。为简明起见，笼型起动绕组用d 轴和q 轴方向上各自短路的绕组kd 和kq 来代替，并且已将起动绕组的参数折算到定子方，同时设永磁体交链于定子相绕组磁链的幅值保持不变。 晶闸管双向调压电路采用MJYS —JL-350晶闸管模块，模块内由晶闸管主电路和移相触发电路两部分组成。移相触发电路对来自电网的同步信号进行整形、限幅并和触发信号电平相比较，产生触发方波脉冲，由高频振荡器对触发方波完成调制和脉冲再分配，通过功放电路对其进行功率放大后触发晶闸管。移相触发电路封装在晶闸管模块内，只需从外部输入一个0～10 V 的交流控制信号，即可以改变晶闸管触发角，控制晶闸管双向调压电路的输出电压 永磁同步电动机转子外径表面均匀，应属于隐极电机。但是，从电气性能上看，永磁同步电动机却属于凸极电机。这是因为同步电机的主要参数直、交轴电枢反应电抗aq ad X X 、分别决定于直、交轴电枢反应磁路的磁导，在电励磁同步电动机中，aq ad X X >；但在永磁同步电动机中，情况有所不同，因为在直轴磁路中有永磁体，永磁体的磁导率很低，其导磁性能与空气相似，因而大大减小了直轴电枢反应的作用，表现为ad X 较小，如图4-2所示；而在交轴磁路中，主要是软铁极靴和套环类的磁性材料，导磁性能较好，交轴电枢反应的作用较大，aq X 较大，如图4-2所示。因此，在永磁同步电动机中aq ad X X <。 (1)移相电路 双向晶闸管的触发方式有主电路正、负电压和门极正、负脉冲两两组合共4种，主电路电压正负半波给出一个负脉冲，因为负脉冲触发所需要的门极电压和电流较小，可保证足够大的触发功率。移相触发器采用IRMCK201芯片，该触发器由交流电网直接供电，无须外加同步脉冲变压器和外接直流工作电源，并且能直接用于晶闸管控制及耦合触发，具有锯齿波线性好、移相范围宽、输出电流大等优点。3块IRMCK201控制模块分别接在电流三相上，“APHASE ”接三相交流电源，“LOAD ”接负载，Ui 。为控制电压输入，通过IRMCK201后在9脚输出移相触发脉
同步电动机常见启动故障分析及处理 摘要：同步电动机能否顺利启动，不仅影响到同步电动机自身的安全，还影响到生产系统，为了快速、准确的发现故障、排除故障，对同步电动机常见的启动故障分析就显得非常必要。文章结合维修实践，分析了同步电动机常见启动故障，并给出了具体的处理措施，为今后同步电动机启动故障的维修提供了方法，具有一定的参考价值。 0 引言 同步电动机由于其功率因数高，运行效率高，稳定性好，转速恒定等优点广泛应用于工业生产中。熟悉同步电动机启动故障，并及时排除故障，对电 动机本身及生产系统都具有现实意义，为了能及时、准确排除故障，必须对 同步电动机常见故障进行详细的分析。 1 常见故障 1）同步电动机通电后，不能启动。 同步电动机接通电源后，不能启动和运行，一般有以下几方面的原因：（一）电源电压过低，由于同步电动机启动转矩正比于电压的平方，电源电压过低，使得电机的启动转矩大幅下降，低于负载转矩，从而无法启动，对此，应提高电源电压，以增大电机的启动转矩。（二）电动机本身的故障检查电动机定、转子绕组有无断、短路，开焊和连接不良等故障，这些故障都使电机无法建立起额定的磁场强度，从而电动机无法启动；检查电动机轴承有无损坏，端盖有无松动，如果轴承损坏或端盖松动，造成转子下沉，与定子铁心相擦，从而导致电机无法启动。对定、转子绕组故障可用低压摇表，逐步查找，视具体情况，采取相应的处理方法，对轴承和端盖松动故障，每次开车前都应盘车，看电动机转子转动是否灵活，如轴承（或轴瓦）损坏，应及时更换。（三）控制装置故障此类故障多为励磁装置的直流输出电压调整不当或无输出，造成电动机的定子电流过大，致使电机过流保护动作或引起电机的失磁运行，此时，检查励磁装置的输出电压、电流是否正常，电压、电流波形是否正常，如电压或电流波形不正常，为了节省时间，更换备用触发板。（四）机械故障如被拖动的机械卡住，
高效永磁同步电动机设计技术研究
目录 1、基本情况及背景介绍 (2) 2、高效永磁同步电动机关键技术的研究 (3) 2.1优化转子磁路结构，提高电机的可靠性 (3) 2.2永磁电机防退磁技术研究 (5) 2.3漏磁系数准确计算的研究 (7) 2.4稀土永磁材料的高温退磁特性及应用技术的研究 (10) 2.5稀土永磁材料的剩磁测试技术的研究 (14) 2.6电机的起动性能 (16) 2.7失步转矩倍数 (17) 2.8其它性能指标 (18)
1、基本情况及背景介绍 稀土永磁是一种高性能的功能材料，它的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积等优异磁性能特别适合于制造电机。用它制成的永磁同步电机，不需要用以产生磁场的无功励磁电流，可显著提高功率因数，减少定子电流和定子电阻损耗。在稳定运行时没有转子电阻损耗，使电机温升有较大裕度，从而可将风扇减小甚至不安装风扇，以减少风摩损耗提高电机效率。与普通的电励磁同步电动机相比，不需要用以产生磁场的励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，运行可靠，又效率提高。因此，国内外都投入大量人力物力从事高效钕铁硼永磁电机的研制开发。 相对于异步电机，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度高等优点，效率比同规格的感应异步电机高2~8%。我国稀土永磁资源储量占世界储量的80％，发展永磁电机具有得天独厚的优势。 早在1980年，我国有关高校及科研院所就开始从事高效永磁电动机的研制开发，先后研制开发出多种类型电动机的样机，技术水平参差不齐，还存在着转子磁路单一、永磁材料可能退磁、测试和制造工艺复杂等问题，性能价格比不够理想，价格偏高。 为了充分发挥钕铁硼永磁材料的优异磁性能，针对钕铁硼永磁电动机在磁、电、机、热等方面的特点，进行技术集成和创新，特别对转子磁路结构、钕铁硼永磁材料的热稳定性做了深入研究，并应用于产品开发过程，提高其效率、性价比，可靠性（主要指不退磁），扩大应用领域，为把稀土资源优势转化为经济优势作贡献。
实验报告 实验名称：三相同步电动机 小组成员：许世飞许晨光杨鹏飞王凯征 一．实验目的 1．掌握三相同步电动机的异步起动方法。 2．测取三相同步电动机的V形曲线。 3．测取三相同步电动机的工作特性。 二．预习要点 1．三相同步电动机异步起动的原理及操作步骤。 2．三相同步电动机的V形曲线是怎样的怎样作为无功发电机（调相机）3．三相同步电动机的工作特性怎样怎样测取 三．实验项目 1．三相同步电动机的异步起动。 ≈0时的V形曲线。 2．测取三相同步电动机输出功率P 2 3．测取三相同步电动机输出功率P =倍额定功率时的V 形曲线。 2 4．测取三相同步电动机的工作特性。 四．实验设备及仪器
1．实验台主控制屏； 2．电机导轨及转速测量； 3．功率、功率因数表（NMCL-001）； 4．同步电机励磁电源（含在主控制屏左下方，NMEL-19）； 5．直流电机仪表、电源（含在主控制屏左下方，NMEL-18）； 6．三相可调电阻器900Ω（NMEL-03）； 7．三相可调电阻器90Ω（NMEL-04）； 8．旋转指示灯及开关板（NMEL-05A）； 9．三相同步电机M08； 10．直流并励电动机M03。 五．实验方法 被试电机为凸极式三相同步电动机M08。 1．三相同步电动机的异步起动 实验线路图如图3-1。 实验开始前，MEL-13中的“转速控制”和“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”旋钮逆时针到底。 R的阻值选择为同步发电机励磁绕组电阻的10倍（约90欧姆），选用NMEL-04中的90Ω电阻。 开关S选用NMEL-05。
同步电机励磁电源（NMEL-19）固定在控制屏的右下部。 a ．把功率表电流线圈短接，把交流电流表短接，先将开关S 闭合于励磁电流源端，启动励磁电流源，调节励磁电流源输出大约左右，然后将开关S 闭合于可变电阻器R （图示左端）。 b ．把调压器退到零位，合上电源开关，调节调压器使升压至同步电动机额定电压220伏，观察电机旋转方向，若不符合则应调整相序使电机旋转方向符合要求。 c ．当转速接近同步转速时，把开关S 迅速从左端切换闭合到右端，让同步电动机励磁绕组加直流励磁而强制拉入同步运行，异步起动同步电动机整个起动过程完毕，接通功率表、功率因数表、交流电流表。 2．测取三相同步电动机输出功率P 2≈0时的V 形曲线 a ．按1方法异步起动同步电动机。使同步电动机输出功率P 2≈0。 b ．调节同步电动机的励磁电流I f 并使I f 增加，这时同步电动机的定子三相电流亦随之增加，直至电流达同步电动机的额定值，记录定子三相电流和相应的励磁电流、输入功率。 c ．调节同步电动机的励磁电流I f 使I f 使逐渐减小，这时定子三相电流亦随之减小，直至电流过最小值，记录这时的相应数据， 图4-5 三相同步电动机接线图（MCL-II、MEL-IIB）图3-1 三相同步电动机接线图（MCL-11、MEL-11B ）
同步电机启动困难的原因： 当同步电机在频率恒定的电源下启动时，定子产生旋转磁动势F 以同步转速p N n f n 601=旋转。由于机械惯性的作用，电动机转速具有较大的滞后，不能快速的跟随同步转速；由电机的转矩角特性可以知道：转矩角是以2π为周期按正弦规律变化的。当转矩角0<θ<π时，电磁转矩大于零；当转矩角π<θ<2π时电磁转矩小于零，在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零。所以在启动时，电磁转矩对转子的作用是一种高频的振动，不能使转子加速启动以达到同步转速，造成同步电机的启动困难。 同步电机稳定运行要求： 由隐极同步电机的转矩角特性图可以知道，当同步电机稳定运行于1θ时，此 时0<1θ<2 π电磁转矩和负载转矩平衡，当负载加大时，转子速度减慢，转子的感应电动势滞后，导致θ角的增大，此时电磁转矩也会增大，电磁转矩与负载转矩在 2θ处达到了新的平衡，同步电机仍以同步转速稳定运行。 图1 在0<θ<2 π隐极同步电机的转矩角特性 图2 在2 π<θ<π隐极同步电机的转矩角特性 当同步电机运行于3θ时，2 π<3θ<π，电磁转矩和负载转矩相等，当负载转矩加大时，转子速度减慢，转子的感应电动势滞后，导致θ角的增大，此时电磁
转矩会减小，电磁转矩减小，导致转矩角的进一步增大，则电磁转矩持续减小，最终电机的转速会偏离同步转速，就会导致失步。总之，在，2 π< <π范围内，同步电机不能稳定的运行，会产生失步现象。 失步现象： 同步电动机运行时，定子磁场拖动转子磁场旋转。两个磁场之间存在着一个固定的力矩，这个力矩的存在是有条件的，必须两者的转速要相等，即同步才行， 所以这个力矩也称为同步力矩 。 一旦两者的速度不相等 , 则同步力矩就不存在了，电机就会慢慢停下来。这种转子速度与定子磁场不同步，而造成同步力矩消失 , 转子慢慢停下来的现象，称为“失步现象”。 为什么失步时，电动机就没有旋转力矩呢？因为当转子与定子磁场不同步的话 , 两者的相对位置就会起变化，即转矩角就会变化。当转子落后定子磁场角度在转矩角0 ～ 180°度时定子磁场对转子产生的是驱动力；当转矩角180° ～ 360°时，定子磁场对转子产生的是阻力，所以平均力矩为零。 引起同步电机失步的原因：欠励失步、过励失步、断电失步。 ○ 1欠励失步 欠励失步主要是因为转子的励磁回路发生断路或者是接触不良、励磁绕组发生匝间短路、励磁系统发生故障等，导致同步电机的励磁绕组欠励磁或者是失去励磁，就会导致转子磁场滞后旋转磁场很大角度导致同步电机不能稳定运行，发生失步。 ○ 2过励失步 过励失步主要是由于相邻出线端头短路故障、附近大型机组或机组群起动或自起动引起母线电压较长时间较大幅度的降低、电动机所带负载的大幅度突增以及起动过程中励磁系统过早投励等原因所引起。电机在过励失步时，励磁系统虽仍有直流励磁，但励磁电流及定子电流都很大并且产生强烈脉振，转子磁场超前旋转磁场很大角度，有时甚至产生电磁共振和机械共振。 ○ 3断电失步 断电失步主要是由于外部供电系统跳闸及人工切换电源时，使交流电机供电电源输送渠道短暂中断而导致。在电源中断又重新恢复期间，同步电动机转子转速不断降低，电源重新恢复时，转子磁场的转速低于定子磁场的同步转速。导致失步。 怎么解决同步电机的失步问题： 同步电机的失磁是导致失步很重要的原因，为了防止失磁，可以在励磁机电源回路串联EPS 专门供电，防止外部大功率设备启动引起电网电压大幅波动。